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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-78602
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7860/


Nutrient availability and limitation within soils of polygonal tundra in the Sakha Republic, Russian Federation

Nährstoffverfügbarkeit und -limitierung in Böden der polygonal Tundra in der Sakha Republik, Russische Föderation

Beermann, Fabian

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SWD-Schlagwörter: Arktis , Nährstoff , Stöchiometrie
Freie Schlagwörter (Englisch): Nitrogen , Phosphorus , Permafrost thaw , Nutrient Stoichiometrie , Arcitc
Basisklassifikation: 38.47 , 38.61
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kutzbach, Lars (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.01.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 02.05.2016
Kurzfassung auf Englisch: The presented study was conducted to get a comprehensive overview on limiting and available nutrients in the soil-vegetation system of arctic polygonal tundra landscapes and to give an outlook into the future state of nutrient limitation in this ecosystem in the course of climate change. The objectives of this study were in detail: (1) To analyze availability and limitation of nutrients in the soil-vegetation system of an arctic polygonal tundra landscape, (2) to quantify pools of inorganic nitrogen within the perennially frozen ground and the active layer of different soils in the Siberian arctic, (3) to give an estimate of potential annual nitrogen release rates in the course of climate change, and (4) to assess the changes of microbial growth, microbial respiration and nitrogen availability in arctic soils in response to increased temperatures by a soil incubation study.

Three different sites in the Eastern Siberian arctic were investigated in this study. The westernmost study site was located in the Lena River Delta
The second study area was located in the Indigirka and the third and easternmost study area was located in the Kolyma River Delta. All three study areas were located in the Siberian zone of continuous permafrost and were characterized by polygonal tundra.

Limiting and available nutrients in the polygonal tundra in the Indigirka Lowlands were analyzed by a stoichiometric approach, based on the N/P ratios in the vegetation biomass, the microbial biomass, the pools of inorganic and organic nutrients and the total elemental pools. Eleven soil profiles down to one meter depth below surface at the three different study areas were studied to quantify pools of inorganic nitrogen in arctic permafrost-affected soils. Furthermore, the potential thickening of the seasonally unfrozen soil layer under higher temperatures for the three study areas was modeled to estimate potential annual nitrogen mobilization from thawing permafrost. In addition, soil samples of one soil profile from the study area in the Indigirka Lowlands were incubated for six weeks at 5°C and 15°C. During this incubation, emissions of CO2 and CH4 from the soil samples were measured. Changes in microbial biomass carbon and nitrogen were determined subsequent to the sample incubation.

Currently, plant growth in the studied polygonal tundra of the Indigirka Lowlands appeared to be limited mostly by nitrogen. On the other hand, the molar-based amount of total phosphorus in the soils was approximately 30-fold lower than the amount of total nitrogen. Thus, there was an imbalance between the phosphorus demand of the vegetation and the potentially mineralizable phosphorus in the soils. As already up to 40 % of the total phosphorus were found as plant-available phosphorus, dissolved organic phosphorus and microbial phosphorus, the potentially mineralizable phosphorus is strongly restricted. Thus, increased availability of nitrogen eventually will lead to phosphorus limitation of this polygonal tundra ecosystem.

Furthermore, there were large amounts of inorganic nitrogen stored within the perennially frozen ground of arctic tundra landscapes in Eastern Siberia. As the projected climate warming will cause thawing of the permafrost, these nitrogen stores will become mobilized and can potentially mitigate the current nitrogen limitation of the arctic tundra. The results of this study suggest that the mean annual nitrogen mobilization due to thawing of the permafrost is up to 81 mg/m2, which is almost in the same range of values than the annual nitrogen fixation rates as reported in the literature.

On the other hand, the results of the incubation experiment suggest that increased temperatures may not induce increased nitrogen mineralization by microbial communities in the short-term. Furthermore, though microbial production rates of CO2 appeared to be increased under higher temperatures, net growth of the microbial biomass was significantly higher at the current soil temperature regime than at higher temperatures. Thus, higher temperatures probably will result in increased respiration rates of the microbial communities at the expense of their growth rates, indicating that they are not adapted to a warmer climate.

This study highlights the importance of comprehensive analyses of the soil-vegetation system in arctic ecosystem, including plant communities, soil nutrients and the microbial biomass as well. This integrated approach led to more detailed conclusions aside of well-known findings like the nitrogen limitation of the arctic tundra and the temperature dependence of microbial respiration rates. The presented results of this study improve our understanding of arctic soil biogeochemistry and give an outlook into the future state of nutrient limitation in the arctic tundra.
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Studie wurde unternommen, um eine umfassende Übersicht über die Nährstofflimitierung und Nährstoffverfügbarkeit im Boden-Vegetationssystem der arktischen Tundra zu erlangen. Darüber hinaus soll sie einen Ausblick auf die, im Zuge des Klimawandels, veränderte Nährstofflimitierung dieses Ökosystems geben. Die Ziele dieser Studie waren im Einzelnen: (1) Die Analyse der Nährstoffverfügbarkeit und -limitierung in der polygonalen Tundra, (2) die Quantifizierung anorganischen Stickstoffs im permanent gefrorenen und im saisonal aufgetauten Bereich verschiedener Böden der sibirischen Arktis, (3) die Abschätzung der potentiellen Stickstofffreisetzungsraten aus diesen Böden durch das Auftauen des Permafrosts, sowie (4) die Einschätzung der Veränderungen mikrobiellen Wachstums, der mikrobiellern Respiration und der Stickstoffverfügbarkeit unter erhöhten Temperaturen durch die Inkubation eines arktischen Bodenprofils.

Für die unterschiedlichen Abschnitte dieser Arbeit wurden drei verschiedene Standorte in der ostsibirischen Arktis untersucht. Der westlichste Standort lag im Lena Delta. Der zweite Standort lag im Tiefland der Indigirka und der dritte und östlichste Standort lag im Kolyma Delta. Alle drei Standorte lagen in der Zone des kontinuierlichen Permafrosts und waren durch polygonale Tundra charakterisiert.

Die limitierenden und verfügbaren Nährstoffe in der polygonalen Tundra des Indigirka-Tieflands wurden mittels eines Stöchiometrischen Ansatzes untersucht. Elf Bodenprofile bis zu einem Meter Tiefe wurden an den drei verschiedenen Standorten untersucht um die Vorräte an anorganischem Stickstoff in von Permafrost beeinflussten Böden Sibiriens zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde die potentielle Erweiterung der jährlichen Auftautiefe unter höheren Temperaturen in diesen Böden modelliert um die potentielle Stickstofffreisetzungsrate durch das Auftauen des Permafrosts abschätzen zu können. Zusätzlichen wurden Bodenproben eines torfreichen Bodenprofils des Standorts im Indigirka-Tiefland für sechs Wochen bei 5°C und bei 15°C inkubiert. Während der Inkubation wurden die CO2- und CH4-Emissionen aus diesen Proben gemessen. Veränderungen im Gehalt an mikrobiellem Kohlenstoff und Stickstoff wurden am Ende des Inkubationsversuches ermittelt.

Das Pflanzenwachstum in der untersuchten polygonalen Tundra im Indigirkatiefland schien hauptsächlich durch Stickstoff limitiert zu sein. Gleichzeitig war der Gehalt des Gesamtphosphors im Boden um etwa das dreißigfache geringer als der Gehalt des Gesamtstickstoffs. Da bereits bis zu 40 % des Gesamtphosphors als pflanzenverfügbarer Phosphor, gelöster organischer Phosphor und mikrobieller Phosphor gefunden wurden, ist die Menge des potentiell mineralisierbaren Phosphors stark begrenzt. Erhöhte Stickstoffverfügbarkeit wird deshalb möglicherweise langfristig zur Phosphorlimitierung dieser polygonalen Tundra führen.

Darüber hinaus ließen sich große Mengen anorganischen Stickstoffs im permanent gefrorenen Boden verschiedener Tundralandschaften Ostsibiriens nachweisen. Da die erwartete Klimaerwärmung voraussichtlich zum Auftauen des Permafrosts führen wird, ist von einer Stickstofffreisetzung aus den bestehenden Vorräten auszugehen welche die momentane Stickstofflimitierung der arktischen Tundra potentiell abschwächen kann. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin dass jährlich bis zu 81 mg/m2 durch das Auftauen des Permafrosts freigesetzt werden können, was annähernd der jährlichen Stickstofffixierungsrate in arktischen Permafrostlandschaften entspricht.

Auf der anderen Seite scheinen erhöhte Temperaturen nicht zu einer kurzfristig erhöhten Stickstoffmineralisierung zu führen. Obwohl die mikrobielle Produktion von CO2 bei höheren Temperaturen anzusteigen schien, war das Nettowachstum der mikrobiellen Biomasse unter den momentanen Bodentemperaturen signifikant höher als unter experimentell erhöhten Temperaturen. Höhere Temperaturen führen also möglicherweise zu erhöhten Respirationsraten der mikrobiellen Gemeinschaften, allerdings auf Kosten ihrer Wachstumsraten. Dies spricht dafür, dass die derzeitigen mikrobiellen Gemeinschaften nicht an ein wärmeres Klima angepasst sind.

Die vorliegende Studie betont besonders die Wichtigkeit umfassender Untersuchungen des Boden-Vegetationssystems arktischer Ökosysteme, inklusive der mikrobiellen Biomasse in diesen Böden. Dieser integrierte Ansatz ermöglichte detaillierte Schlussfolgerungen abseits hinreichend bekannter Ergebnisse wie der Stickstofflimitierung der arktischen Tundra und der Temperaturabhängigkeit mikrobieller Respirationsraten. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Biogeochemie arktischer Böden und ermöglichen einen Ausblick auf die zukünftige Entwicklung der Nährstoffverfügbarkeit in der arktischen Tundra.

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